Związki chemiczne nazywane feromonami

Jak powszechnie wiadomo związki chemiczne mogą być w różny sposób wykorzystywane przez żywe organizmy. Mikroorganizmy, organizmy roślinne oraz zwierzęce przy pomocy określonych związków chemicznych mogą oddziaływać z otaczającym ich światem poprzez wydzielanie substancji toksycznych, odstraszających. Takie zachowanie ma na celu ochronę przed potencjalnym niebezpieczeństwem. Określone substancje mogą być wydzielane w procesie reprodukcji. Są bardzo ważne w zachowaniu ciągłości gatunku.

Związki tego rodzaju nazywane są związkami semiochemicznymi, (semio - sygnał). Związki infochemiczne wchodzące w skład związków semiochemicznych maja na celu przekazywanie informacji pomiędzy osobnikami spokrewnionymi gatunkowo, ale także dla organizmów nie spokrewnionych gatunkowo. Związki semiochemiczne w przekazywaniu informacji mogą zastępować sygnały wizualne, dotykowe oraz dźwiękowe.

W skład związków infochemicznych wchodzą feromony. Są to bardzo ciekawe substancje, które wzbudzają ciekawość wśród badaczy na całym świecie. Feromony są wykorzystywane do wywoływania określonej reakcji fizjologicznej lub pożądanego zachowania u odbiorcy tego samego gatunku,. Celem jest obrona, zdobycie pokarmu lub reprodukcji/prokreacja.

Feromony były wykorzystywane już u pierwotnych organizmów, jako sposób komunikowania się. prawdopodobnie pierwszą formą komunikowania się najprostszych organizmów. Feromony, czyli związki biologicznie czynne, różnią się od hormonów tym, że w przeciwieństwie do nich, nie są wytwarzane przez tkanki lub gruczoły. Hormony są wydzielane wewnątrz organizmu i są wykorzystywane tylko przez ten organizm wytwarzający. Feromony zaś są wydzielane na zewnątrz organizmu z przeznaczeniem dla innego osobnika tego samego gatunku.

Feromony są stosowane przez wiele organizmów zwierzęcych. Dotychczas potwierdzono taka zdolność u 1500 gatunków. Prym w tej grupie wiodą głównie owady (1100 gatunków). Wśród organizmów roślinnych obecność feromonów stwierdzono u kilkudziesięciu, obecne są także wśród bakterii oraz drożdży.

Uważa się, że feromony są obecne u większości żywych organizmów. Problem z ich identyfikacja polega na tym, że substancje te występują w małym stężeniu w obrębie określonego źródła. Problem polega także na opracowaniu dobrego testu, który potwierdzi ich obecność oraz ewentualne działanie.

Wiele można podać przykładów oddziaływania feromonów. Zaleta tych substancji jest to, ze mogą być przekazywane w nocy i mogą omijać przeszkody występujące w przyrodzie. Wśród owadów najpowszechniejsze zastosowanie tych związków to obrona przed zagrożeniem. Inne organizmy wykorzystują feromony do określenia drogi prowadzącej do pokarmu, miejsce spotkań organizmów tego samego gatunku, znakowaniu rewiru polowania. Część organizmów jest zdolna wydzielać takie zapachy, które są w stanie przyciągnąć potencjalne ofiary. Niestety te substancje nie należą do feromonów, gdyż działają na organizmy pochodzące z innych gatunków. Inną ciekawą zdolność maja feromony płciowe, których zadaniem jest przyciągnięcie i zwabienie osobnika przeciwnej płci w celach prokreacyjnych.

Pierwszym zbadanym feromonem był bombykol. Substancje tą odkrył Butenandt w 1959 roku. Związek ten jest wydzielany przez samice jedwabnika. Feromon ten ma za zadanie zwabić samca nawet z odległości 11 km. Aby uzyskać kilkanaście mg tego feromonu potrzebne było 500 000 gruczołów samic jedwabnika.

Wzór strukturalny bombykolu wygląda następująco:

Większość feromonów to związki organiczne charakteryzujące się prosta budowa chemiczną i niewielką masą cząsteczkową. Feromony małocząsteczkowe mogą być wykorzystywane do ekspresowego przekazywania informacji, gdyż dosyć szybko mogą ulec rozproszeniu na powietrzu. Feromony zawierające grupy chemiczne charakteryzujące się nietrwałością (grupa aldehydowa) działają jeszcze krócej. Feromony o dużych masach cząsteczkowych najczęściej są wykorzystywane w przypadkach, gdy zalecane jest długie ich działanie.

Feromony możemy podzielić na około 30 grup. Kryterium tego podziału to pełniona przez nich funkcja. Najbardziej popularne to:

- feromony płciowe;

- feromony ścieżkowe;

- feromony agregacyjne;

- feromony rozpraszające;

- feromony alarmujące;

- feromony stymulujące wykorzystywane przy składani jaj przez samice;

- feromony dyskryminujące;

- feromony zniechęcające;

- feromony mylące;

- feromony znaczące.

Występują także feromony wielofunkcyjne. Pszczoły po użądleniu mogą wydzielać substancje, która wabi inne pszczoły. Kwas mrówkowy oprócz funkcji obronnej może także pełnić funkcje alarmującą

Do niedawna twierdzono, że feromony to substancje jednoskładnikowe (tak było w przypadku bombokylu). Niestety trudno było obalić taką teorie, gdyż większość składników występuje w minimalnych ilościach niż składnik dominujący. Brakowało odpowiedniej metody i aparatury do dokładnego przeprowadzenia analizy jakościowej. Aktualnie udowodniono, ze w skład feromonów wchodzi wiele składników, ale zawsze jest jeden dominujący. Składniki występujące w określonym feromonie są podobne w obrębie tego samego gatunku. Ich skład jest uzależniony od takich czynników jak: pora roku, typ przekazywanej informacji, natężenie światła, specyfiki danego miejsca, diety, wieku, kondycji. Istotny jest skład ilościowy danego składnika, ale także równoczesne występowanie innych składników.

Aby prawidłowo zidentyfikować feromony należy wydobyć jej z organizmu biologicznego. Początkowo posterowana w ten sposób, że izolowano je z całych organizmów. W przypadku bombykolu życie straciło około 500 000 owadów. Aktualny wysoko rozwinięta technika jest w stanie wyekstrahować tylko niezbędna ilość feromonu z odpowiedniego gruczołu, który jest pobrany tylko od kilku przedstawicieli danego gatunku. W dalszych etapach feromony są badane przy zastosowaniu metod spektralnych. Metody te mają na celu potwierdzenie ich budowy poprzez porównanie związków pochodzących z naturalnych źródeł z substancjami, które zostały uzyskane w laboratorium chemicznym. Substancje otrzymane sztucznie powstają w wyniku przeprowadzenia syntezy chemicznej. Do dalszych badań mających na celu uzyskanie jak największych informacji o danym feromonie stosowane są związki syntetyczne. Wykorzystywane one są także do produkcji feromonowych pułapek. Feromony są także badane pod kątem aktywności biologicznej. Aktywność danego feromonu zależy od rodzaju i cech gatunkowych.

Obecnie zamiast owadów stosuje się tylko ich części receptorowe feromonów. W większości przypadków są to czułki. Gdy czułki podłączymy przewodem do wzmacniacza, to jesteśmy w stanie uzyskać sygnał elektryczny potwierdzony na rejestratorze. Tego rodzaju badania nazywane są elektroantenografią EAG. Detektory są specyficzne tylko dla jednego gatunku. Jeżeli mamy do czynienia z małymi zwierzakami, to wówczas stosujemy specjalistyczne klatki. Jesteśmy w stanie obserwować reakcje tych organizmów na substancje, które doprowadzamy poprzez rozpylanie w powietrzu.

Produkcja feromonów najczęściej odbywa się w gruczołach zewnętrznych. U owadów feromony płciowe wytwarzane są w odwłokach.

Malutkie cząsteczki feromonu mogą być rozprzestrzeniane wraz z wiatrem w atmosferze , prądem w wodzie, dyfuzyjnie, w bezpośrednim kontakcie z odbiorcą. Aby nastąpił efekt wywołany wydzieleniem feromonu, musza się skontaktować z częścią ciała posiadająca receptory. Jak już wcześniej wspominano u owadów receptory znajdują się w czułkach. Zgodnie z prawem dyfuzji feromony wnikają poprzez czułki do wnętrza i przez kanaliki dostają się do receptorów.

Zaadsorbowane na powierzchni czułek cząsteczki feromonu wnikają na zasadzie dyfuzji do ich wnętrza, gdzie poprzez system kanalików docierają do receptorów. Dopiero tam są rozpoznawane i ulegają przekształceniu chemicznemu. Następnie powstaje sygnał elektryczny, który natychmiast jest przesyłany do mózgu. Tam następują skomplikowane procesy (wydzielanie enzymów, hormonów). W wyniku tego odbiorca w specyficzny sposób reaguje, charakterystycznie dla określonego feromonu.

Niekiedy reakcja na określony feromon jest uzależniona od stężenia. U mrówek 4-metyloheptan-3-on przy niewielkim stężeniu działa zachęcająco na robotnice do bycia uległym wobec królowej, w ten sposób wydajniej pracują i jest utrzymany ład w kolonii. Niestety gdy stężenie feromonu jest większe, u robotnic wywołuje to agresje. Przy bardzo dużym stężeniu mrówki kopią podziemne korytarze w których się chowają.

U ssaków narząd przylemieszowy reaguje na feromony. Narząd ten ma postać spłaszczonego krótkiego kanalika zbudowanego z chrząstki, wyścielony nabłonkiem migawkowym. Dopiero od niedawna wykryto jego właściwości. Wcześniej myślano, że jest tylko pozostałością ewolucyjną. Dorosły człowiek także ma zdolności odbierania sygnałów wysyłanych przez feromony. Wraz z wiekiem narząd ten zanika. U noworodków i młodych ludzi jest bardziej widoczny. Narząd przylemieszowy, gdy jest połączony z jamą ustna jest w stanie reagowac na różnego rodzaju substancje nielotne. Narząd ten przez niektórych nazywany jest szóstym zmysłem. Nie należy mylić go z narządem węchu, gdyż węch jest w stanie wykryć zapachy, które dla mózgu są miłe, nieprzyjemne lub obojętne. Narząd przylemiszowy reaguje na substancje chemiczne, które działają na instynktowne zachowanie.

Feromony zazwyczaj działają w małych stężeniach. Ciekawym przypadkiem są feromony płciowe karalucha. Gdy samice uwolnią kilkaset cząsteczek uaktywniają się samce znajdujące się w znacznej odległości.

Feromony powierzchniowe nie są lotne. Są w stanie oddziaływać tylko będąc blisko odbiorcy lub w bezpośrednim kontakcie, np. przy użyciu języka. W ten osobniki wzajemnie się rozpoznają i prezentują aktualna pozycje w określonej grupie (przynależności kastowa). Mają także działanie zbliżone do afrodyzjaków. Na ciele muszki owocówki da się wyodrębnić kilka feromonów płciowych. W zależności od płci skład jakościowy oraz ilościowy znacznie się różni. Węglowodory wchodzące w skład tych feromonów są odpowiedzialne za "grę wstępną" muszek owocowych. Pod ich wpływem muszki sa zdolne do wykonywania charakterystycznych ruchów (taniec muszek owocowych), zaś ruchy skrzydeł samców są wywołane ich pobudzeniem płciowym. Po akcie kopulacji substancje pozostawione na powierzchni samicy przez samca w znaczny sposób zmniejszają jej atrakcyjność płciową. W ten sposób samiec nie ma powodów do zazdrości, gdyż samica nie jest atrakcyjna dla innych samców. Ciekawym przypadkiem jest 7-pentakozen, który przy znacznych ilościach może wywoływać u samców skłonności homoseksualne.

W przypadku os na powierzchni ciała znajdują się substancje dzięki którym możemy stwierdzić pokrewieństwo. Dzięki temu mamy do czynienia z takimi zachowaniami jak: akceptacja lub odrzucenie. Preferowane są osobniki spokrewnione. Skład chemiczny feromonów os jest zróżnicowany ze względu na pokrewieństwo rodzinne.

Prędkość z jaką rozprzestrzeniają się substancje chemiczne w powietrzu jesteśmy w stanie przedstawić za pomocą wzoru matematycznego. We wzorze tym, wyprowadzonym na podstawie prawa dyfuzji, uwzględnia takie lotność danego feromonu. Jesteśmy w stanie wyliczyć okres czasu, w którym niezbędna ilość substancji będzie w odpowiedniej odległości od źródła. Możemy określić najmniejsze możliwe stężenie feromonu, które jest niezbędne do tego, aby zaszła reakcja. Przykładowo odległość na której feromon jeszcze działa dla pewnego gatunku może być równy 1cm, dla niektórych 600m. Cechy charakterystyczne określonych feromonów są uzależnione od ich przeznaczenia. Dla feromonów ścieżkowych czas aktywności powinien być długi, zaś dla feromonu alarmowego czas ten jest krótki, ale intensywność i szybkość działania większa.

Jeżeli mamy do czynienia z feromonami wodnymi istotnym czynnikiem jest hydrofilowośc. Lotność feromony, z wiadomych przyczyn, nie jest ważna. Prędkość rozchodzenia się feromonów w wodzie jest mniejsza niż w przypadku feromonów rozpylanych w wodzie, ale czas działania jest zdecydowanie dłuższy.

Dosyć istotnym pojęciem jest selektywność feromonów. Uzależnione to jest od struktury i funkcji jakie pełnią. DO feromonów nie wykazujących dużą selektywność należą octan butylu i 2-heptanonu. Wywołują podobne reakcje. Receptory feromonowe są bardzo wrażliwe. Są w stanie odróżnić od siebie poszczególne stereoizomery. Najbardziej specyficzne są feromony płciowe. Ich skład zależy od miejsca występowania i cech gatunkowych.

Cząsteczki substancji wchodzących w skład feromonów posiada centra chiralne. Zazwyczaj tylko jeden stereoizomer wykazuje aktywność biologiczną.

Cząsteczka bombykolu posiada cztery stereoizomery. Aktywność biologiczna u jedwabnika wykazuje tylko jeden.

Człowiek wytwarzając produkty spożywcze do własnych celów, zdaje sobie sprawę z tego, że część z nich zostanie niestety skonsumowana przez mikroorganizmy, ale także przez owady lub gryzonie. Aby temu zapobiec człowiek stosuje różne środki. Insektycydy są szkodliwe dla pasożytujących owadów, ale także dla tych pożytecznych. Zagrożone może być także życie człowieka. Dlatego tez obecnie istnieje trend do nie stosowania insektycydów. Zastępowane są innymi środkami zastępczymi, które wykazują selektywność w usuwaniu szkodników. Do takich właśnie celów mogą być wykorzystane feromony. Feromony aktywne są już w niskich stężeniach. Nie działają negatywnie na zdrowie człowieka. Działają w ściśle specyficzny sposób. Mogą zwalczać szkodliwego owada już w fazie zapłodnienia, w fazie składnia jaj, w fazie przeobrażania. Stosowane na szeroką skalę pułapki mogą likwidować zagrożenie w postaci szkodliwych owadów w określonym czasie. Jeżeli są stosowane w przed okresem ich występowania, możliwe jest wychwytywanie wybranych gatunków. Takie działanie zapobiega występowaniu okresu rozrodczego szkodników. Jednym z kluczowych powodów zachęcających do stosowania feromonów w walce z szkodliwymi owadami jest ich neutralność w stosunku do otaczającego środowiska. W przeciwieństwie do chemicznych środków owadobójczych. Owady nie są w stanie uodpornić się na feromony. Nie musimy nieustannie modyfikować ich składu, jak w przypadku pestycydów.

Najbardziej popularnym sposobem wykorzystania feromonów w zwalczaniu szkodliwych owadów są pułapki. Substancje biologicznie czynne wchodzące w skład feromonów mają za zadanie przyciągnięcie owadów do pułapek, z których później maja ograniczone wyjście. Tam zostają wyeliminowane za pomocą toksycznych substancji lub mechanicznych przeszkód (np. taśmy wysmarowane klejem). Pułapki stosowane przeciwko owadom były już znane i stosowane w przeszłości. Różniły się tylko substancją wabiącą. Wcześniej były to zapachy miodowe lub owocowe. Lepy pokryty klejącą substancja uniemożliwiały ucieczkę. Feromony stosowane w pułapkach wykazują większą skuteczność. Zwabiona przez feromon grupa owadów nie może się oprzeć, pomimo tego, że czeka na nią niebezpieczeństwo. Pułapki tego rodzaju maja większy zasięg. Jak już wcześniej wspominano,, stężenie substancji biologicznie czynnej w feromonach wydzielanych przez owady jest bardzo małe. Zwiększenie tego stężenia, co ma miejsce w pułapkach, powoduje dezorientacje i wabienie ich do pułapek. Ważnym aspektem, o którym nie wolno zapominać, jest umiejętność dozowania odpowiedniego stężenia feromonów w pułapkach. Przy pomocy dyspensera dozujemy określoną ilość feromonu, tak aby w okolicach pułapki zapewnić jej określony czas działania. Odpowiednio dobrany dozownik decyduje o skuteczności pułapki. Dozowniki różnią się miedzy sobą. Na różnice te wpływa: wielkość stosowanej pułapki, lotność feromonu, czasu działania. Dozowniki najczęściej maja postać wiązek kapilar, włókien kapilarnych, laminowanych krążków, porowatych opasek. Najprostsze lepy na muchy mają postać taśmy pokrytej klejem zawierającym klejącymi zawierającymi feromon. Bardziej skomplikowane są urządzeniami feromon. Inne maja kształt lejka, uniemożliwiając w ten sposób wyjście schwytanego owada. Do najczęściej stosowanych feromonów w pułapkach zaliczamy: feromony płciowe oraz feromony agregacyjne.

Niestety jak na razie feromony nie mogą być stosowane na szeroką. Produkty spożywcze oraz organizmy roślinne chronione są innymi sposobami. Potrzebna jest reklama przeprowadzona na szeroką skalę.

---